Een nieuwe benadering voor het analyseren en ontwerpen van nieuwe ionengeleiders - een belangrijk onderdeel van oplaadbare batterijen - zou de ontwikkeling van lithiumbatterijen met hoge energie kunnen versnellen, en mogelijk andere apparaten voor energieopslag en -afgifte, zoals brandstofcellen, zeggen onderzoekers.

De nieuwe benadering is gebaseerd op het begrijpen van de manier waarop trillingen door het kristalrooster van lithiumiongeleiders bewegen en dat correleren met de manier waarop ze ionenmigratie remmen. Dit biedt een manier om nieuwe materialen te ontdekken met verbeterde ionenmobiliteit, waardoor snel opladen en ontladen mogelijk is. Tegelijkertijd, de methode kan worden gebruikt om de reactiviteit van het materiaal met de elektroden van de batterij te verminderen, die de levensduur kan verkorten. Deze twee kenmerken - betere ionenmobiliteit en lage reactiviteit - sluiten elkaar meestal uit.

Het nieuwe concept is ontwikkeld door een team onder leiding van W.M. Keck Hoogleraar Energie Yang Shao-Horn, afgestudeerde student Sokseiha Muy, recent afgestudeerde John Bachman Ph.D. '17, en onderzoekswetenschapper Livia Giordano, samen met negen anderen aan het MIT, Oak Ridge Nationaal Laboratorium, en instellingen in Tokio en München. Hun bevindingen werden gerapporteerd in het tijdschrift Energie- en milieuwetenschappen .

Het nieuwe ontwerpprincipe is ongeveer vijf jaar in de maak geweest, zegt Shao-Hoorn. Het aanvankelijke denken begon met de benadering die zij en haar groep hebben gebruikt om katalysatoren voor watersplitsing te begrijpen en te beheersen, en het toepassen op ionengeleiding - het proces dat de kern vormt van niet alleen oplaadbare batterijen, maar ook andere sleuteltechnologieën zoals brandstofcellen en ontziltingssystemen. Terwijl elektronen, met hun negatieve lading, stroom van de ene pool van de batterij naar de andere (waardoor apparaten van stroom worden voorzien), positieve ionen stromen de andere kant op, via een elektrolyt, of ionengeleider, ingeklemd tussen die palen, om de stroom te voltooien.

Typisch, dat elektrolyt een vloeistof is. Een lithiumzout opgelost in een organische vloeistof is een veel voorkomende elektrolyt in de huidige lithium-ionbatterijen. Maar die stof is ontvlambaar en heeft er soms voor gezorgd dat deze batterijen vlam vatten. Er is gezocht naar een solide materiaal om het te vervangen, die dat probleem zou wegnemen.

Er bestaat een verscheidenheid aan veelbelovende vaste ionengeleiders, maar geen enkele is stabiel bij contact met zowel de positieve als de negatieve elektroden in lithium-ionbatterijen, zegt Shao-Hoorn. Daarom, het zoeken naar nieuwe vaste ionengeleiders die zowel een hoge ionengeleiding als stabiliteit hebben, is van cruciaal belang. Maar het uitzoeken van de vele verschillende structurele families en composities om de meest veelbelovende te vinden, is een klassieke speld in een hooiberg. Dat is waar het nieuwe ontwerpprincipe om de hoek komt kijken.

Het idee is om materialen te vinden die een ionengeleiding hebben die vergelijkbaar is met die van vloeistoffen, maar met de stabiliteit op lange termijn van vaste stoffen. Het team vroeg "Wat is het fundamentele principe? Wat zijn de ontwerpprincipes op een algemeen constructief niveau die de gewenste eigenschappen bepalen?" zegt Shao-Hoorn. Een combinatie van theoretische analyse en experimentele metingen heeft inmiddels enkele antwoorden opgeleverd, zeggen de onderzoekers.

"We realiseerden ons dat er veel materialen zijn die ontdekt kunnen worden, maar geen begrip of gemeenschappelijk principe dat ons in staat stelt het ontdekkingsproces te rationaliseren, " zegt Muy, hoofdauteur van de krant. "We kwamen met een idee dat ons begrip kon inkapselen en kon voorspellen welke materialen tot de beste zouden behoren."

De sleutel was om te kijken naar de roostereigenschappen van de kristallijne structuren van deze vaste materialen. Dit regelt hoe trillingen, zoals golven van warmte en geluid, bekend als fononen, materialen passeren. Deze nieuwe manier van kijken naar de structuren bleek nauwkeurige voorspellingen van de werkelijke eigenschappen van de materialen mogelijk te maken. "Als je eenmaal weet [de trillingsfrequentie van een bepaald materiaal], je kunt het gebruiken om nieuwe chemie te voorspellen of om experimentele resultaten te verklaren, ' zegt Shao Horn.

De onderzoekers zagen een goede correlatie tussen de met het model bepaalde roostereigenschappen en de geleidbaarheid van het lithiumionengeleidermateriaal. "We hebben wat experimenten gedaan om dit idee experimenteel te ondersteunen" en vonden dat de resultaten goed overeenkwamen, ze zegt.

Ze vonden, vooral, dat de trillingsfrequentie van lithium zelf kan worden verfijnd door de roosterstructuur aan te passen, chemische substitutie of doteermiddelen gebruiken om de structurele rangschikking van atomen op subtiele wijze te veranderen.

Het nieuwe concept kan nu een krachtig hulpmiddel zijn voor het ontwikkelen van nieuwe, beter presterende materialen die kunnen leiden tot dramatische verbeteringen in de hoeveelheid stroom die kan worden opgeslagen in een batterij van een bepaald formaat of gewicht, evenals verbeterde veiligheid, zeggen de onderzoekers. Nu al, ze gebruikten de methode om enkele veelbelovende kandidaten te vinden. En de technieken kunnen ook worden aangepast om materialen te analyseren voor andere elektrochemische processen zoals vaste-oxidebrandstofcellen, op membraan gebaseerde ontziltingssystemen, of zuurstofgenererende reacties.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.